鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱動(dòng)力學(xué)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳鋒 賓國成 劉志虎 張建軍 郭文婷 吳永清 王文昌 劉強(qiáng) 狄勤豐

摘要：鉆井深度的持續(xù)增加使鉆柱面臨的載荷工況越來越嚴(yán)苛。鈦合金具有密度小、屈服強(qiáng)度高和彈性模量低等特點(diǎn)，基于井口鉆桿抗拉余量設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)3種鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱，即復(fù)合鉆柱1（Φ101.6 mm鉆桿段全段使用鈦合金鉆桿）、復(fù)合鉆柱2（Φ101.6 mm鉆桿上半段使用鈦合金鉆桿）和復(fù)合鉆柱3（Φ101.6 mm鉆桿下半段使用鈦合金鉆桿）。為了探究鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱（簡稱為復(fù)合鉆柱）的動(dòng)力學(xué)特性，基于Hamiton原理建立復(fù)合鉆柱的動(dòng)力學(xué)模型，并采用節(jié)點(diǎn)迭代法和Newmark-β法對模型進(jìn)行求解，分析3種復(fù)合鉆柱的渦動(dòng)特征、動(dòng)態(tài)應(yīng)力和振動(dòng)特性，并與常規(guī)鋼鉆柱進(jìn)行比較。結(jié)果表明：鈦合金鉆桿的使用可有效減緩鉆柱渦動(dòng)速度、動(dòng)態(tài)應(yīng)力，其中復(fù)合鉆柱3的渦動(dòng)速度、動(dòng)態(tài)應(yīng)力最??；基于振動(dòng)特征強(qiáng)度對鉆井作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成復(fù)合鉆柱3的鉆井作業(yè)參數(shù)推薦圖版并給出合理的施工參數(shù)范圍。

關(guān)鍵詞：鈦合金鉆桿; 復(fù)合鉆柱; 超深井; 動(dòng)力學(xué)特性; 鉆井參數(shù)

中圖分類號：TE 21?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-5005（2024）03-0075-09?? doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.03.008

Dynamic characteristics analysis and optimization design of drill string composed of titanium/steel drill pipes

CHEN Feng1， BIN Guocheng2， LIU Zhihu1， ZHANG Jianjun2， GUO Wenting3，WU Yongqing2， WANG Wenchang4， LIU Qiang5， DI Qinfeng4

（1.School of Mechatronics Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200444， China;2.Downhole Service Company， CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited（CCDC）， Chengdu 610213， China;3.Changqing Branch of China Petroleum Logging Company， Xian 710201， China;4.Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics， School of Mechanics and Engineering Science， Shanghai University， Shanghai 200027， China;5.State Key Laboratory for Performance and Structural Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials， CNPC Tubular Goods Research Institute， Xian 710077， China）

Abstract： Continuous increase of drilling depth makes the load condition of drill string more and more severe. Titanium alloy has the characteristics of small density， high yield strength and low elastic modulus. In this study， according to the design requirements of tensile allowance for wellhead drill pipes， three types of composed drill strings with titanium/steel drill pipes were designed， namely composite drill string 1 （use titanium drill pipes throughout the entire Φ101.6 mm drill pipe section）， composite drill string 2 （use titanium drill pipes on the upper part of the Φ101.6 mm drill pipe section） and composite drill string 3 （use titanium drill pipes on the lower part of the Φ101.6 mm drill pipe section）. In order to explore the dynamic characteristics of the composite drill strings， a dynamic model of the composite drill string based on the Hamiton principle was proposed， using the node iterative method and Newmark-β method to solve the model. The whirl characteristics， dynamic stress and vibration characteristics of the three composite drill strings were analyzed， and compared with conventional steel drill string. The results show that the use of the titanium alloy drill pipe can effectively slow down the whirl velocity and dynamic stress of the drill string， among which the whirl velocity and dynamic stress of composite drill string 3 are the smallest. Based on the vibration characteristic strength， the drilling operation parameters can be optimized， and a recommended drilling operation parameters chart of composite drill string 3 was formed， and a reasonable range of operation parameters was given.

Keywords： titanium drill pipe; composite drill string; ultra-deep well; dynamic characteristics; drilling operation parameters

鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能和耐疲勞性能好等特性，近年來在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用［1］。在石油工程中使用鈦合金鉆桿能大幅減輕鉆柱自重、降低鉆柱摩阻、提升延伸位移，因此鈦合金鉆桿在超深井、深水鉆井應(yīng)用中有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。鈦合金管材于20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，美國RMI公司［2］研發(fā)了一種優(yōu)質(zhì)α+β型鈦合金，該鈦合金顯著降低了鈦合金油井管的生產(chǎn)成本。1982年Unocal石油公司在美國開采地?zé)釙r(shí)嘗試使用鈦合金鉆桿來解決硫化氫導(dǎo)致的腐蝕問題［3］。美國Chevron公司于20世紀(jì)末開發(fā)出用在熱采井上的鈦合金套管，所用材料為Ti-6246，2003年以來成功應(yīng)用于20多口熱采井［4］。Grant Prideco公司及RTI能源系統(tǒng)公司于21世紀(jì)初研制出具有高強(qiáng)度、良好耐用性、質(zhì)量輕的鈦合金鉆桿［5-6］。國外通過不斷改進(jìn)鈦合金鉆桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)，成功研制出了滿足開發(fā)施工要求的高性能鈦合金鉆桿［7］。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者也對鈦合金鉆桿展開了相關(guān)研究，祝效華等［8-9］基于Hamilton原理建立了全尺寸鈦合金鉆桿動(dòng)力學(xué)理論模型，分析了鈦合金鉆桿的降摩減阻、抵抗變形和軸向力傳遞能力及其影響因素?？导t兵等［10］對鈦合金鉆桿在特深井修井作業(yè)中的適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明使用鈦合金+鋼復(fù)合鉆具組合后，解卡作業(yè)時(shí)最大鉤載明顯減小，作業(yè)管柱的最小安全系數(shù)有較大提升。盡管很多學(xué)者對鈦合金鉆桿開展了相關(guān)研究，但目前復(fù)合鉆柱在井下的使用性能并不明確，如何設(shè)計(jì)鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱組合方案也缺乏理論依據(jù)。針對這一問題，筆者建立復(fù)合鉆柱的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析鈦合金鉆桿的應(yīng)用對鉆柱的渦動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)應(yīng)力和振動(dòng)加速度的影響，形成復(fù)合鉆柱的鉆井作業(yè)參數(shù)推薦圖版。

1 復(fù)合鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)有限元模型

雖然鈦合金比鋼具有更加良好的性能，但是在實(shí)際的鉆井中，鉆柱面臨非常復(fù)雜的拉、壓、扭等受力情況，使用鈦合金鉆桿能否應(yīng)對這些情況尚不明確。此外鈦合金造價(jià)高昂，如何經(jīng)濟(jì)、有效地使用鈦合金鉆桿代替部分鋼鉆桿形成較為理想的組合使用方案還需要探究。因此有必要對鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱的動(dòng)力學(xué)性能和使用組合方案進(jìn)行探究。

1.1 實(shí)際井眼軌跡描述

實(shí)鉆井眼軌跡往往不規(guī)則，對鉆柱的動(dòng)力學(xué)特性影響很大［11］，因此需要對井眼軌跡進(jìn)行分析。實(shí)際測量的井眼數(shù)據(jù)較為稀疏，使用這些稀疏的數(shù)據(jù)會(huì)使軌跡描述誤差增大，因此需要對較為稀疏的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，從而建立鉆柱的井筒約束模型。井眼軌跡插值方法主要包括最小曲率半徑法、曲率半徑法和正切法等 ［12］，本文中采用曲率半徑插值法，該方法所構(gòu)造的井眼軌跡較為平滑，與實(shí)際情況較為吻合。

根據(jù)某井實(shí)測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理后如圖1所示。從圖1可以看出，該井在6000～8000 m井段井斜相對較大，最大井斜角為7.21°，井眼曲率達(dá)4.4°/30 m。

1.2 復(fù)合鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以某井的實(shí)際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行復(fù)合鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該井四開鉆進(jìn)8500 m鋼鉆柱累積重量為2448.65 kN，Φ127 mm鉆桿（S135鋼級）的抗拉強(qiáng)度為3311 kN，考慮安全系數(shù)3311×0.9=2979.9 kN，井口鉆桿抗拉余量僅為531.25 kN，而該井鉆井設(shè)計(jì)中建議將井口鉆桿抗拉余量提高至600 kN。鈦合金鉆桿密度較小，使用鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱方案可有效滿足上述要求。對于鉆柱中使用的Φ101.6 mm鋼鉆桿，其線密度為23.8 kg/m；而對于Φ101.6 mm鈦合金鉆桿，其線密度僅為14.8 kg/m。為將井口鉆桿抗拉余量提高至600 kN，至少需要將810 m的Φ101.6 mm鋼鉆桿替換成鈦合金鉆桿。

由于特深井井深超過9000 m，因此考慮至少使用2000 m長度的鈦合金鉆桿。為了對比分析，分別討論全鋼鉆柱、復(fù)合鉆柱1、復(fù)合鉆柱2、復(fù)合鉆柱3四種情況（圖2）在井眼中的動(dòng)力學(xué)特性，其中復(fù)合鉆柱1中Φ101.6 mm鉆桿段（4250.5 m）全段使用鈦合金鉆桿；復(fù)合鉆柱2中Φ101.6 mm鉆桿上半段（2000 m）使用鈦合金鉆桿；復(fù)合鉆柱3中Φ101.6 mm鉆桿下半段（2000 m）使用鈦合金鉆桿。計(jì)算中鉆井液密度為1.45 g/cm3。

1.3 復(fù)合鉆柱動(dòng)力學(xué)有限模型

狹長受限空間中鉆柱的動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，其力學(xué)求解涉及幾何非線性、接觸非線性，是一個(gè)強(qiáng)非線性力學(xué)問題［13］。綜合考慮井壁邊界、上下端邊界條件，利用能量法建立鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱的非線性動(dòng)力學(xué)有限元模型，其具有以下特征以及邊界條件：①鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱具有超長細(xì)比特征，且受到空間撓曲井眼的約束，具有大位移小變形的特征；②穩(wěn)定器與井壁存在較小的間隙，且具有一定長度，穩(wěn)定器和鉆柱與井壁存在頻繁接觸碰撞，建模時(shí)需考慮這些碰撞影響；③上端在井口位置，鉆柱橫向鉸支在井眼中心，軸向受到大鉤載荷作用，扭轉(zhuǎn)方向施加地面轉(zhuǎn)速；④下端在鉆頭處，橫向運(yùn)動(dòng)同樣為鉸支邊界條件，而軸向和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別受到鉆壓和扭矩的作用，其值取決于鉆頭與巖石的相互作用。

1.3.1 動(dòng)力學(xué)模型及求解方法

根據(jù)Hamilton原理［14］，運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)（質(zhì)點(diǎn)系、連續(xù)系統(tǒng)）的動(dòng)能、勢能和外力功應(yīng)該滿足：

δ∫Δt（T-V）+∫ΔtδW=0.（1）

式中，T為鉆柱系統(tǒng)的總動(dòng)能，J；V為鉆柱系統(tǒng)的總勢能，J；δ為變分算子；W為外力功，J；t為時(shí)間，s。

作為一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱的平動(dòng)位移及轉(zhuǎn)動(dòng)位移均是連續(xù)的，T、V、W可以用平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移表示。利用有限元法，將鉆柱離散為若干個(gè)鉆柱單元，先假設(shè)單元形函數(shù)，然后將鉆柱的平動(dòng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng)位移表示為鉆柱單元節(jié)點(diǎn)廣義位移的函數(shù)，將其代入式（1）并逐項(xiàng)展開可得

ddtTk-TUk+VUk=Fk， k=1，2，…，b.（2）

式中，k為鉆柱系統(tǒng)的廣義速度，m/s；Uk為鉆柱系統(tǒng)的廣義位移，m；Fk為鉆柱系統(tǒng)的廣義節(jié)點(diǎn)力，N。

將鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱單元的動(dòng)能、勢能和外力項(xiàng)的表達(dá)式代入式（2）中，導(dǎo)出鉆柱動(dòng)力學(xué)有限元方程為

Mee+Cee+KeUe=Fe.（3）

式中，e為鉆柱單元的廣義加速度，m/s2；e為鉆柱單元的廣義速度，m/s；Ue為鉆柱單元的廣義位移矢量，m；Me為鉆柱單元的質(zhì)量矩陣，kg；Ce為鉆柱單元的阻尼矩陣，N·s/m；Ke為鉆柱單元的剛度矩陣，N/m；Fe為廣義力矢量，N。

求解方程（3）需對時(shí)間、空間進(jìn)行離散，采用Newmark-β法對時(shí)間進(jìn)行離散，采用節(jié)點(diǎn)迭代法對空間進(jìn)行離散 ［15］。分別對節(jié)點(diǎn)迭代法和Newmark-β法進(jìn)行介紹。取一段鉆柱，將其劃分為兩個(gè)單元，每個(gè)單元包括兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

對于1號單元，有：

Ke1Ue1=Fe1 .（4）

其中

Ue1=U1U2，F(xiàn)e1=F1F2.

式中，Ke1為1號單元?jiǎng)偠染仃?，N/m；Ue1為1號單元廣義位移，m；Fe1為1號單元廣義作用力，N。

將剛度矩陣Ke1按照矩陣分塊法劃分為4個(gè)矩陣塊，按照相應(yīng)位置分別表示為Ae1、Be1、Ce1、De1，那么式（4）就可以表示為

Ae1Be1Ce1De1U1U2=F1F2 .（5）

同理，2號單元也可以表示為

Ae2Be2Ce2De2U2U3=F2F3.（6）

對于整體的鉆柱單元就有：

Ae1Be10Ce1De1+Ae2Be20Ce2De2U1U2U3=F1F2F3.（7）

式（7）中2號節(jié)點(diǎn)（1號單元和2號單元的公共節(jié)點(diǎn)）對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度De1+Ae2，根據(jù)式（7）可得，2號節(jié)點(diǎn)的位移可以由1號和3號節(jié)點(diǎn)位移表示為

U2=F2-Ce1Be2U1U3De1+Ae2 .（8）

這樣處理可以避免運(yùn)算大型的矩陣，并且能夠在單次迭代中判斷鉆柱與井壁的接觸情況，及時(shí)對井壁約束導(dǎo)致的剛度、節(jié)點(diǎn)外力進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存和運(yùn)算時(shí)間。

Newmark-β法是將0～t0時(shí)間段劃分為n等分，即取時(shí)間步長Δt=t0/n，則在t+Δt時(shí)刻的鉆柱單元的動(dòng)力學(xué)方程就可以表示為

Meet+Δt+Ceet+Δt+KeUet+Δt=Fet+Δt.（9）

根據(jù)拉格朗日中值定理就可以得到在t+Δt時(shí)刻的鉆柱單元的速度矢量為

et+Δt=et+emΔt.（10）

式中，em為區(qū)間［t，t+Δt］中某點(diǎn)的速度。將Newmark-β法中近似假設(shè)的速度代入式（10）得

et+Δt=et+（1-γn）etΔt+γnet+ΔtΔt.（11）

其中0≤γn≤1，再根據(jù)位移的泰勒展開式可得

Uet+Δt=Uet+etΔt+（1-2βn）etΔt22+βnet+ΔtΔt2.（12）

如果已知t時(shí)刻的鉆柱單元的狀態(tài)矢量Uet、et和et，根據(jù)式（12）就可以得到t+Δt時(shí)刻的狀態(tài)矢量Uet+Δt、et+Δt和et+Δt，根據(jù)t=0時(shí)刻的初始值逐步求得在iΔt（i=1，2，…）時(shí)刻的狀態(tài)矢量，再結(jié)合節(jié)點(diǎn)迭代法就能求解出整個(gè)鉆柱的動(dòng)力學(xué)方程。采用這樣的處理方法能夠很好地解決節(jié)點(diǎn)迭代法和整體剛度矩陣法中存在的不足，大幅減少超深井鉆柱動(dòng)力學(xué)模型的求解時(shí)間。

1.3.2 動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證

通過與鉆井現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證鉆柱動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算的可靠性。測試井為某油田一口超深直井，設(shè)計(jì)井深6874 m，測量井段位于4840～6200 m。該井段使用帶Power-V的雙穩(wěn)定器BHA，鉆頭為6刀翼PDC，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速約120 r/min，鉆壓約140 kN，鉆井液密度為1800 kg/m3。利用儲(chǔ)存式測量短節(jié)ESM（environmental severity measurement）進(jìn)行超深井鉆柱井下振動(dòng)信息的測量，其偏心安裝于專用的鉆鋌上，可測量沿鉆柱軸向、徑向和切向的加速度，基于三軸加速度可得鉆柱井下轉(zhuǎn)速的近似值［15］。

圖4為鉆柱動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的對比，兩者總體吻合較好。黏滑周期均約為9 s，其中包括了約5 s的滑脫過程和4 s的黏滯過程。當(dāng)鉆頭運(yùn)動(dòng)進(jìn)入滑脫狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速由0? r/min快速增加至峰值335 r/min，再迅速降低到0? r/min。在黏滯過程中，鉆頭幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。井口扭矩以較大幅度在14～28 kN·m之間波動(dòng)，體現(xiàn)了黏滑運(yùn)動(dòng)的主要特征。從結(jié)果來看，超深井動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算程序具有較高的可靠性。

2 復(fù)合鉆柱動(dòng)力學(xué)特性

在鉆井過程中，鉆柱在充滿鉆井液或氣體的狹長井眼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，不但承受拉、壓、彎、扭等復(fù)雜載荷的作用，還經(jīng)受劇烈的軸向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)［16-18］。鈦合金鉆桿的彈性模量為118.6 GPa，僅為鋼鉆桿彈性模量的56%，相比鋼鉆桿其剛度較小，復(fù)合鉆柱的動(dòng)力學(xué)特性與常規(guī)鋼鉆柱存在較大區(qū)別，不合理使用可能增加鉆柱的振動(dòng)，增加鉆柱失效風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。

2.1 復(fù)合鉆柱渦動(dòng)特性

鉆柱的渦動(dòng)是鉆井過程中常見的現(xiàn)象，它對鉆柱運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、鉆桿的偏磨和套管的磨損都有非常大的影響［19］。鉆柱的渦動(dòng)使鉆具承受高頻應(yīng)力而加劇鉆桿的疲勞破壞，降低其工作效率和壽命。鉆柱在井筒中的渦動(dòng)特征，包括渦動(dòng)軌跡和渦動(dòng)速度。針對鉆柱BHA近鉆頭穩(wěn)定器與鉆頭中點(diǎn)截面處（圖2）分析其渦動(dòng)軌跡和渦動(dòng)速度。

圖5表明4種鉆柱結(jié)構(gòu)條件下該截面位置渦動(dòng)軌跡均呈現(xiàn)滿眼運(yùn)動(dòng)的特征，即BHA近鉆頭穩(wěn)定器與鉆頭中點(diǎn)處與井壁的碰撞接觸相對頻繁。相對而言，全鋼鉆柱與井壁法向碰撞的特征更為明顯，而復(fù)合鉆柱1、2、3與井壁切向碰摩的特征更為明顯。

圖6為BHA近鉆頭穩(wěn)定器與鉆頭中點(diǎn)截面處的渦動(dòng)速度。由圖6可以看出，4種鉆柱結(jié)構(gòu)條件下該截面位置渦動(dòng)速度差異較大。復(fù)合鉆柱1的渦動(dòng)速度略小于全鋼鉆柱；復(fù)合鉆柱2的渦動(dòng)速度峰值接近全鋼鉆柱，波動(dòng)也較為劇烈；復(fù)合鉆柱3的渦動(dòng)速度小于其他3種結(jié)構(gòu)的鉆柱，因此復(fù)合鉆柱3的渦動(dòng)特性相對較好。

2.2 復(fù)合鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力特性

在鉆柱動(dòng)力學(xué)分析中影響鉆柱動(dòng)態(tài)安全性的主要因素為鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力 ［20］。鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力越大，鉆柱的動(dòng)態(tài)安全系數(shù)就越小，控制和保持鉆柱的動(dòng)態(tài)應(yīng)力在較低的水平是保障鉆柱安全性的根本。

圖7為4種鉆柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化曲線（不同顏色的曲線表征鉆柱在不同時(shí)刻的動(dòng)態(tài)應(yīng)力）。從圖7可以看出，3種復(fù)合鉆柱整體均滿足材料強(qiáng)度極限要求。在4000～6000 m段復(fù)合鉆柱1動(dòng)態(tài)應(yīng)力略小于全鋼鉆柱，復(fù)合鉆柱2和3的動(dòng)態(tài)應(yīng)力明顯小于全鋼鉆柱；6000～8000 m段復(fù)合鉆柱1和3的動(dòng)態(tài)應(yīng)力明顯小于全鋼鉆柱，復(fù)合鉆柱2的動(dòng)態(tài)應(yīng)力則是略小于全鋼鉆柱。

2.3 復(fù)合鉆柱振動(dòng)特性

由于鉆井長細(xì)比大、井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)環(huán)境苛刻等因素，鉆柱在狹長的井眼中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的非線性井下振動(dòng)，影響鉆柱動(dòng)態(tài)安全性。Schlumberger公司基于地震工程理論開發(fā)出獨(dú)立的量化振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)［21］，建立起加速度和失效破壞參數(shù)之間的聯(lián)系。本文在Schlumberger振動(dòng)沖擊風(fēng)險(xiǎn)分級的基礎(chǔ)上給出鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱振動(dòng)沖擊風(fēng)險(xiǎn)分級，并以此為依據(jù)對鉆柱動(dòng)態(tài)安全性進(jìn)行評價(jià)。通過對BHA加速度峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)加速度峰值超過50g（g為重力加速度，9.8 m/s2）的沖擊次數(shù)（CPS）將BHA的沖擊風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)等級：CPS為1～5時(shí)為較低風(fēng)險(xiǎn)；CPS為5～10時(shí)為中度風(fēng)險(xiǎn)；CPS超過10時(shí)為高度風(fēng)險(xiǎn)。不同鉆柱結(jié)構(gòu)條件下BHA沖擊風(fēng)險(xiǎn)見表1。

圖8為BHA上的振動(dòng)特征。由圖8可見，含鈦鉆柱的振動(dòng)相比全鋼鉆柱更為平緩；從振動(dòng)特征強(qiáng)度角度看，復(fù)合鉆柱3的振動(dòng)強(qiáng)度最小。

2.4 復(fù)合鉆柱動(dòng)態(tài)安全性評價(jià)

3種復(fù)合鉆柱中，復(fù)合鉆柱3的渦動(dòng)速度最小、動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平最低、振動(dòng)強(qiáng)度最小，因此復(fù)合鉆柱3的鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對較為合理。鉆進(jìn)參數(shù)對鉆柱在旋轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)特性有重要影響［22］。以復(fù)合鉆柱3為例，討論不同鉆井參數(shù)（主要指轉(zhuǎn)速和鉆壓）條件下鉆柱的振動(dòng)特性，給出該復(fù)合鉆柱結(jié)構(gòu)對應(yīng)的合理施工參數(shù)范圍。根據(jù)2.3節(jié)所述分析方法，可得到不同鉆井參數(shù)條件下鉆柱的振動(dòng)特性，并形成鉆井參數(shù)優(yōu)選圖版，如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明，80 kN鉆壓、50 r/min轉(zhuǎn)速條件下復(fù)合鉆柱3的振動(dòng)達(dá)到了高度風(fēng)險(xiǎn)水平，鉆井過程中應(yīng)避開該鉆井參數(shù)組合。同時(shí)，表2中CPS大于5對應(yīng)的鉆井參數(shù)條件下鉆柱振動(dòng)也較為劇烈，鉆井過程中應(yīng)引起注意。

3 結(jié) 論

（1）復(fù)合鉆柱在BHA近鉆頭穩(wěn)定器與鉆頭中點(diǎn)截面位置的渦動(dòng)軌跡顯示與井壁的切向碰撞摩擦特征更加明顯；鈦合金的使用可以降低鉆柱的渦動(dòng)速度，復(fù)合鉆柱3的渦動(dòng)速度比復(fù)合鉆柱1和2渦動(dòng)速度更小。

（2）鈦合金鉆桿的使用可降低鉆柱的動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平，復(fù)合鉆柱3在4000～8000 m鉆桿段的動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平明顯比復(fù)合鉆柱1和2更小。

（3）從振動(dòng)加速度角度來看，復(fù)合鉆柱3的振動(dòng)強(qiáng)度比復(fù)合鉆柱1和2更低，即復(fù)合鉆柱3相較于復(fù)合鉆柱1和2具有更加良好的動(dòng)力學(xué)特性。

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（編輯 李志芬）

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3700804）;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52374008， 52174003）;中國石油科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（2021DJ2703）;陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021JM-607）

第一作者：陳鋒（1986-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭凸こ坦苤W(xué)。E-mail：chenfeng536@shu.edu.cn。

通信作者：劉強(qiáng)（1983-），男，教授級高工，博士，研究方向?yàn)樘厥庥途苎芯考伴_發(fā)。E-mail：liuqiang030@cnpc.com.cn。

引用格式：陳鋒，賓國成，劉志虎，等.鈦合金/鋼鉆桿復(fù)合鉆柱動(dòng)力學(xué)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（3）：75-83.

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